CC BY
35
Сведения об авторах
Кутырёв Алексей Игоревич - аспирант, младший научный сотрудник, ФГБНУ «Федеральный научный агроин-женерный центр ВИМ» (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: 8(499)174-88-01. E-mail: [email protected].
Хорт Дмитрий Олегович - кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией механизации возделывания многолетних культур, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: 8(499)174-88-01. E-mail: [email protected].
Филиппов Ростислав Александрович - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: 8(499)174-88-01. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Kutyrev Alexey Igorevich - postgraduate student, junior researcher, Federal Research Agro-engineering Center VIM (Moscow, Russian Federation). Phone: 8(499)174-88-01. E-mail: [email protected].
Khort Dmitry Olegovich - Candidate of Agricultural Sciences, head of the laboratory, Federal Research Agro-engineering Center VIM (Moscow, Russian Federation). Phone: 8(499) 174-88-01. E-mail: [email protected].
Filippov Rostislav Aleksandrovich - Candidate of Agricultural Sciences, senior researcher, Federal Research Agro-engineering Center VIM (Moscow, Russian Federation). Phone: 8(499)174-88-01. E-mail: [email protected].
УДК 620:631.365.22
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЗЕРНОВОМ СЛОЕ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ
© 2018 г. Д.А. Будников
Тепловая обработка применяется к зерну различных культур на этапах сушки, обеззараживания, подготовки к скармливанию и т.д. Высокая стоимость этих процессов обуславливается как стоимостью энергоносителей, так и энергоемкостью самих процессов. Разработка режимов обработки с применением электротехнологий в общем и электромагнитных полей в частности позволит снизить себестоимость указанных процессов. При их разработке необходимо учитывать виды применяемых электротехнологий, таких как, например, инфракрасные (ИК) поля, поля сверхвысокой частоты (СВЧ) и т.д. Исследование комбинированных способов воздействия на сельскохозяйственные материалы во многом сопряжено с разработкой промышленного оборудования на основе математических и компьютерных моделей. Таким образом данная работа направлена на разработку представления зернового слоя в компьютерных моделях электромагнитного взаимодействия. В статье описаны результаты численного эксперимента по определению напряженности электромагнитного поля в слое зернового материала, подвергающегося СВЧ-обработке. В процессе численного эксперимента зерновой слой был представлен различными способами замещения. Представлены вид замещаемого слоя, распределение напряженности электрического поля в указанном материале. Данные численного эксперимента, представленные в работе, получены для ячменя и пшеницы влажностью 16-24%. Полученные данные могут быть применены как для определения конструктивных параметров зон СВЧ-воздействия, так и для разработки систем управления оборудованием. При разработке оборудования, применяющего данные технологии, необходимо учитывать глубину проникновения слоя в материал. Глубина проникновения, в свою очередь, зависит от материала и его свойств, а также от параметров электромагнитного поля. Широкие возможности для разработки подобного оборудования дает применение специализированных программных средств. В итоге применение СВЧ-полей позволяет снизить затраты на тепловую обработку на 15-20%, в зависимости от процесса и вида обрабатываемого материала.
Ключевые слова микроволновое поле, тепловая обработка, зерно, напряженность поля, прямой нагрев, диэлектрик, моделирование ЭМ полей, программные средства, плотность слоя, псевдоожиженный слой.
Thermal treatment is applied to the grain of different crops during the processes of drying, disinfection, preparation for feeding, etc. The high cost of these processes is caused by both the cost of energy carriers and the energy intensity of the processes themselves. Development of processing modes with the use of electrical technologies in general and electromagnetic fields in particular can reduce the cost of these processes. In their development, it is necessary to consider the types of electrical technologies used, such as, for example, infrared (IR) fields, ultrahigh frequency (UHF) fields, etc. The research of combined methods of influence on agricultural materials is largely associated with the development of industrial equipment based on mathematical and computer models. Thus, this work is aimed at developing the representation of the grain layer in computer models of electromagnetic impact. The results numerical experiment to determine the intensity of the electromagnetic field in a layer of grain material subjected to UHF-processing are described. In the process of numerical experiment, the grain layer has been presented in many different ways of substitution. The type of the substituted layer, the distribution of the electric field intensity in the specified material are presented. The numerical experiment data presented in the paper were obtained for barley and wheat with a moisture content of 16-24%. The obtained data can be used both to determine the design parameters of UHF impact zones and to develop equipment control systems. During the developing of the equipment that uses these technologies, it is
necessary to consider the depth of penetration of the layer into the material. The depth of penetration, in turn, depends on the material and its properties, as well as on the parameters of the electromagnetic field. Extensive opportunities for the development of such equipment provides the use of specialized software. As a result, the use of UHF fields can reduce the cost of heat treatment by 15-20%, depending on the process and the type of material being processed.
Keywords: UHF field, thermal processing, grain, field strength, direct heating, dielectric, simulation of electromagnetic fields, software tools, layer density, pseudoliquid layer.
Введение. Необходимость сушки зерновых сельскохозяйственных материалов обуславливается необходимостью обеспечения их качества и сроков безопасного хранения. При этом для достижения удовлетворительных для предприятий-производителей экономических показателей и поддержания приемлемых потребительских цен необходимо применять энергоресурсосберегающее оборудование. Разработка подобного технологического оборудования в настоящее время предполагает использование средств компьютерного моделирования, создание масштабируемых моделей и прототи-пирование искомого оборудования. В случае разработки способов термической обработки зерновых материалов способами ВЧ- и СВЧ-воздействия могут быть применены такие программные продукты математического и визуального моделирования, как СОМБОЦ РЕМ1_аЬ, <ЖЮ, СБТЭМю, А^УЭ и некоторые другие [1-3]. К процессам послеуборочной обработки зерновых, требующих термического воздействия, можно отнести сушку, обеззараживание, микро-низацию, подготовку к скармливанию. Все эти процессы обладают высокой энергоемкостью.
Для стран с неблагоприятным климатом затраты на послеуборочную обработку в среднем достигают 20% от общих затрат на производство зерновой продукции, в некоторых случаях даже больше [4]. Таким образом разработка энергоресурсосберегающего оборудования для послеуборочной обработки зерновых не теряет своей актуальности. Для обеспечения быстрого прототипирования и снижения возможности потерь, обусловленных ошибками на различных стадиях разработки и внедрения, особую значимость приобретает разработка масштабируемых моделей оборудования электромагнитной обработки, но при отсутствии сведений о диэлектрических свойствах многих материалов, а также их зависимости от таких факторов, как плотность слоя, влажность и прочие, работа с ними может вызывать существенные затруднения.
Методика исследования. Основой для математического описания и моделирования в
программных средствах выступает система уравнений Максвелла. Программные продукты, такие как ComsolMultiphysics, FEMLab, QW3D, CSTStudio, ANSYS, предназначены для решения данных уравнений тем или иным методом.
Электродинамическое моделирование в HFSS основано на использовании метода конечных элементов (Finite Element Method, FEM). Решение граничной задачи ищется в частотной области. Использование метода конечных элементов обеспечивает высокую степень универсальности численных алгоритмов, которые оказываются весьма эффективными для широкого круга (в нашем случае - активная зона, заполненная слоем зерна). Подвод энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты осуществляется сбоку при помощи рупорных волноводов от магнетронов.
В данной работе будет рассмотрена возможность представления не только плотного зернового слоя, но и слоя со сниженной плотностью, что характерно, например, для псевдо-ожиженного слоя. Подобное моделирование важно, так как тепловлагоперенос в подобном слое характеризуется большей интенсивностью.
В процессе моделирования электромагнитного воздействия с помощью программ численного моделирования трехмерных электромагнитных структур материал, на который воздействует поле, обычно представляется в виде сплошной формы с заданными свойствами, описывающими данный продукт при определенных значениях плотности, влажности и прочих параметров (рисунок 1 а). На первом этапе моделирование проводилось именно таким образом и зерновому материалу задавались свойства, полученные учеными ранее [5-7, 9]. В случае моделирования воздействия поля на такие сельскохозяйственные материалы, как зерно, комбикорма и прочие сыпучие материалы, возникает некоторое несоответствие свойств отдельных зерновок, составляющих слой и непосредственно массы обрабатываемого материала. Кроме того, в этом случае весьма относительным представляется описание воздушных промежутков и учет порозности слоя [5-7]. Та-
ким образом, стоит рассмотреть вариант представления слоя в виде объема, полностью заполненного объектами, в виде которых может быть представлен обрабатываемый материал. Так, на втором этапе моделирования, зерно при
моделировании и математическом описании может быть заменено шариком эквивалентного диаметра. Объем зернового материала, изображенного таким образом, представлен на рисунке 1 б.
а б
а- в виде сплошной структуры; б - в виде плотного слоя форм замещения Рисунок 1 - Представление зернового слоя
При послеуборочной обработке зерновой слой может находиться при различной плотности (плотный, разрыхленный, псевдоожижен-ный, вихревой кипящий). Измерение диэлектрических свойств в случаях неплотного слоя практически невозможно [5, 8, 9]. Для решения задач моделирования и определения зерновой слой может быть представлен эквивалентным объемом зерна с заданной порозностью, что дает возможность определить распределение электромагнитных полей в слое заданной плот-
ности. На рисунке 2 приведен вид зернового материала различной плотности.
Помимо представления зернового слоя в виде набора зерновок, каждая зерновка может быть представлена с учетом неравномерности распределения влаги. На рисунке 3 представлен вид зерновки как вариант, учитывающий равномерное распределение влаги, а также с учетом изменения влажности от центра зерновки к поверхности, что характерно при сушке и обеззараживании зерна с применением электрофизических методов воздействия.
а б
а - мягкая пшеница влажностью 16%, при плотности слоя 200 кг/м3; б - мягкая пшеница влажностью 16%, при плотности слоя 500 кг/м3 Рисунок 2 - Представление зернового слоя
а б
а - с учетом равномерной влажности, И/ср: б-с учетом изменения влажности от центра к поверхности зерновки, )/\/1>\/\/2>)/\/3 Рисунок 3 - Представление зерновки
При моделировании свойства зерновых культур брались из различных источников [5-7, 9] и экспериментальных данных [2-3].
Моделирование, проведенное при представлении зернового слоя в виде набора зерновок, показало существенное увеличение затрачиваемого машинного времени, требуемого для получения результатов. Представление же зер-
новок с учетом неравномерности влажности по слоям внутри зерновки вовсе привело к необходимости существенного снижения количества слоев зерновок при моделировании.
Результаты и их обсуждение. Результаты моделирования распространения напряженности электромагнитного поля в пшенице влажностью 16% представлены на рисунке 4.
»э эоаоо оооооооо оооооооо эоээоооо аоэааэоо оооооооо оооооооо оооооооо оооооооо оооооооо ээээээоо ООООЗЗОО
о о и и и и
000000 000000 оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо
ООО ООО
оооооо
ООО ООО ОООООО О О О О О О 61
д
а-в - в виде сплошного слоя; г-е - в виде совокупности шарообразных зерновок Рисунок 4 - Результаты моделирования распространения напряженности ЭМП
Приведенная в данном случае картина распространения электромагнитного поля в слое диэлектрика характеризуется потерями (выделением мощности) по мере распространения волны. Судя по результатам моделирования, характер распределения электромагнитного поля указанных вариантов представления зернового слоя совпадает, что позволяет говорить о возможности дальнейшей замены представления в виде эквивалентных форм на сплошную.
Это позволит существенно сократить требуемое на расчеты машинное время. Некоторые отклонения в численных значениях обусловлены отсутствием учета влияния переотражения волны с поверхности материала, неточностью данных о диэлектрических свойствах материалов. Из картины распространения ЭМП также следует, что может быть учтена избирательность нагрева, отмечаемая многими авторами [10-12], характерная для областей с более высокой, относительно остального объема материала, влажностью (более высокими показателями диэлектрических потерь).
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы.
1. Данные о диэлектрических свойствах зерновок и зернового слоя требуют уточнения.
2. Необходимо проведение экспериментальных исследований по изучению распространения электромагнитного поля в зерновом слое и сопоставление их результатов с результатами численного эксперимента.
3. Зерновой слой в программах электродинамического моделирования может быть представлен:
- в виде сплошной формы;
- в виде набора форм замещения исходных элементов (зерновок).
4. Для снижения ресурсоемкости расчетов зерновой слой целесообразно представлять в виде сплошной формы.
5. Диэлектрические свойства неплотного зернового слоя в виде сплошной формы могут быть получены через моделирование в виде форм замещения соответствующей плотности.
Литература
1. Ranjbaran, М. Simulation of energetic- and exer-getic performance of microwave-assisted fluidized bed drying of soybeans / M. Ranjbaran, D. Zare II Energy (2013), http://dx.doi.Org/10.1016/j.energy.2013.06.057.
2. Будников, Д.А. Моделирование влияния конструктивных параметров зоны обработки на распределение поля СВЧ в электротехнологическом модуле для сушки и обработки зерна / Д.А. Будников II Инновации в сельском хозяйстве: теоретический и научно-практический журнал ФГБНУ ВИЭСХ, 2014. - № 4(9). - С. 88-91.
3. Будников, Д.А. Измерение напряженности СВЧ-поля в зерновом слое / Д.А. Будников II Вестник ВИЭСХ. -2015. - № 4 (21). - С. 40-44.
4. Baptista, F. Energy Efficiency in Agriculture IIF. Baptista, L.L. Silva, С. de Visser 15th International Congress on Energy and Environment Engineering and Management. - Lisbon, Portugal, 2013.
5. Stuart Nelson. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications - Academic Press (2015). -229 p.
6. Kraszewski, A. Composite model of the complex permittivity of cereal grain I A. Kraszewski, S.O. Nelson II J. Agrie. Engng Res. (1989) 43. - P. 211-219.
7. Nelson, S.O. Dielectric properties of agricultural products and some applications I S.O. Nelson II Res. Agr. Eng., 54, 2008(2).-P. 104-112.
8. Alexsandar Antic, James M. Hill. The double-diffusivity heat transfer model for grain stores incorporating microwave heating II Applied Mathematical Modelling. - August 2003. - Vol. 27. - Issue 8. - P. 629-647.
9. Venkatesh, M.S. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agri-food Materials II Biosystems Engineering (2004) 88(1), 1-18 doi: 10.1016/j.biosystemseng.2004.01.007.
10. Deep N. Yadav, Prakash Eknathrao Patki, Gopal Kumar Sharma. Effect of microwave heating of wheat grains on the browning of dough and quality of chapattis II International Journal of Food Science & Technology. - December
2007.-V. 43(7).-P. 1217-1225.
11. Stanislaw Grundas, Jerzy R. Warchalewski, Ro-mualda Doliriska and Justyna Gralik. Influence of Microwave Heating on Some Physicochemical Properties of Wheat Grain Harvested in Three Consecutive Years II AACCI. - March
2008. - Vol. 85. - No 2. - P. 224-229.
12. Pallai-Varsányi E., Neményi M., Kovács A.J., Szijjártó E. Selective Hearing of Different Grain Parts of Wheat by Microwave Energy Advances in Microwave and Radio Frequency Processin. - P. 312-320.
References
1. Ranjbaran M., Zare D. Simulation of energetic- and exergetic performance of microwave-assisted fluidized bed drying of soybeans, Energy (2013), http://dx.doi.org/10.1016/ j.energy.2013.06.057.
2. Budnikov D.A Modelirovanie vlijanija konstruktiv-nyh parametrov zony obrabotki na raspredelenie polja SVCh v jelektro-tehnologicheskom module dlja sushki i obrabotki zerna [Modeling the effect of the design parameters of the treatment area on the distribution of the UHF field in the elec-tro-technology unit for drying and processing of grain], Inno-vacii v sel'skom hozjajstve: teoreticheskij i nauchno-prakticheski jzhurnal FGBNU VIESH [Innovation in agriculture: theoretical and practical journal FGBNU VIESH], 2014; No 4(9), pp. 88-91.
3. Budnikov D.A. Izmerenie naprjazhennosti SVCh-polja v zernovom sloe [Measurement of the UHF field in the
grain layer], Vestnik VIESH [Messenger of VIESH], 2015, No 4 (21), pp. 40-44.
4. Baptists F., Silva, C. de Visser. Energy Efficiency in Agriculture, 5th International Congress on Energy and Environment Engineering and Management, Lisbon, Portugal, 2013.
5. Stuart Nelson. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications - Academic Press (2015), 229 p.
6. Kraszewski A., Nelson S.O. Composite model of the complex permittivity of cereal grain, J. Agric. Engng Res. (1989)43, pp. 211-219.
7. Nelson S.O. Dielectric properties of agricultural products and some applications, Res. Agr. Eng., 54, 2008(2): pp. 104-112.
8. Alexsandar Antic, James M. Hill. The double-diffusivity heat transfer model for grain stores incorporating microwave heating, Applied Mathematical Modelling, Vol. 27, Issue 8, August 2003, pp. 629-647.
9. Venkatesh M.S. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agri-food Materials. Biosystems Engineering (2004) 88(1), 1-18 doi: 10.1016/j.biosystemseng.2004.01.007.
10. Deep N. Yadav, Prakash Eknathrao Patki, Gopal Kumar Sharma. Effect of microwave heating of wheat grains on the browning of dough and quality of chapattis, International Journal of Food Science & Technology 43(7), December 2007, pp. 1217-1225.
11. Stanislaw Grundas, Jerzy R. Warchalewski, Ro-mualda Dolinska, and Justyna Gralik. Influence of Microwave Heating on Some Physicochemical Properties of Wheat Grain Harvested in Three Consecutive Years, AACCI March 2008, Vol. 85, No 2, pp. 224-229.
12. Pallai-Varsanyi E., Nemenyi M., Kovacs A.J., Szijjarto E. Selective Hearing of Different Grain Parts of Wheat by Microwave Energy Advances in Microwave and Radio Frequency Processing, pp. 312-320.
Сведения об авторе
Будников Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории автоматизированных электротехнологий, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (г. Москва, Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Information about the author Budnikov Dmitry Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, leading researcher of the Automated electrical engineering laboratory, FSBSI «Federal Scientific Agroengineering Center All-Russian Institute for Mechanization» (Moscow, Russian Federation). E-mail: [email protected].
УДК 631.316.022
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ПОСЛОЙНОЙ БЕЗОТВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
© 2018 г. A.B. Громанов, С.К. Филатов
В зоне недостаточного увлажнения необходимо накопление запасов влаги и предотвращение непродуктивного её расхода. Накопление влаги достигается путём создания мульчирующего слоя на поверхности и различных по структурному составу и плотности сложения слоёв почвы при её обработке. Известные рабочие органы для послойной безотвальной обработки почвы характеризуются высокой металлоёмкостью, что приводит к увеличению массы конструкции и росту энергозатрат. Целью исследования является снижение затрат энергии на осуществление технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы. Благодаря использованию в конструкции новых неметаллических материалов на основе пластика возможно существенное снижение металлоёмкости рабочих органов и затрат энергии на осуществление технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы. Разработана конструкция рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы, содержащего стойку с долотом, съёмные лемешные лезвия, комкодробитель, упорную плиту и рыхлитель для мелкой обработки. В локальных зонах износа и области повышенного трения рабочего органа монтировали сверхвысокомолекулярный полиэтилен низкой плотности. Методика оптимизации параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности основана на планировании эксперимента по трёхфакторному плану Бокса. Установлены наименьшее тяговое сопротивление и минимальные затраты энергии рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности при скорости агрегата от 2,8 до 3,0 м/с; угле входа в почву долота от 31,5° до 33,5°; глубине обработки почвы 30-35 см.
Ключевые слова: рабочий орган, обработка почвы, тяговое сопротивление, параметры, оптимизация, пластик, высокомолекулярный полиэтилен.
In the area of insufficient moisture, accumulation of moisture reserves and prevention of unproductive consumption is necessary. The accumulation of moisture is achieved by creating a mulching layer on the surface and different soil layers in
